虚拟现实技术54

1、2副12.1虚拟现实技术概述 虚拟现实(virtual reality, vr)可应用于建模与仿 真、科学计算可视化、设计与规划、教育与训练、医 学、艺术与娱乐等方面。 虚拟现实技术是一项综合的技术，涉及计算机科学、 电子学、心理学、计算机图形学、人机接口技术、传 感技术及人工智能技术等。 虚拟现实技术是二十世纪末才兴起的一门崭新的综合 性信息技术，它融合了数字图像处理、计算机图形学、 多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而 大大推进了计算机技术的发展。12.1.1虚拟现实的基本概念“虚拟现实”这个概念包括了两层含义:-虚拟现实系统是一种高级的人机交互系统，因此人机交互是 虚拟现实的核

2、心。i”cmnitz university-计算机生成的虚拟环境必须是能给人提供多种感觉的感官刺 激的环境，能让人有“沉浸”的感觉，目前虚拟现实通常由 视觉、听觉和触觉构成。-虚拟现实往往要借助一些三维传感设备来完成交互动作，常 用的如数据手套、头盔显示器(head mounted display, hmd)、数据衣、三维鼠标、立体声耳机等。12.1.2虚拟现实的基本特征虚拟现实的三个基本特征-沉浸感又称临场感，让用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。-交互性交互性指用户对虚拟环境中虚拟物体 的可操作程度和从环境得到反馈的自 然程度（包括实时性），从而使用户 感觉到自己是虚拟空间的主体。

3、-想象力-想象力是指虚拟环境可使人沉浸其中rf且获取新的知识，提高感性和理性 认识，从而深化概念并萌发新意。12.1虚拟现实技术概述12.1.3虚拟现实系统的基本构成一个典型的虚拟现实系统主要包括以下5大组成部分：虚拟世界是可交互的虚拟环境，涉及模型构筑、动力学特征、物理约束、照明 及碰撞检测等；计算机涉及处理器配置、1/0通道及实时操作系统等;虚拟现实软件-负责提供实时构造和参与虚拟世界的能力，涉及建模、物理仿真等;输入设备输出设备输入和输出设备则用于观察和操纵虚拟世界,声音交互、触觉反馈等。12.1虚拟现实技术概述典型虚拟现实系统的结构框图12.1.4虚拟现实系统的分类桌面虚拟现实系统(d

4、eskwp vr)沉浸虚拟现实系统(immersive vr)12.1虚拟现实技术概述 、用于飞行训练的沉浸虚拟现实系统:增强现实虚拟现实系统、-增强现实又称混合现实系统，它是把真实环境和虚拟环境结合 起来的i种系统，通过穿透型头盔显示器将计算机虚拟图像叠 加在现实世界之上，为操作员提供与他所见到的现实环境有关 的、存储在计算机中的信息，从而增强操作员对真实环境的感 受。分布式虚拟现实系统(distributed vr, dvr)-分布式虚拟现实系统是指基于网络的虚拟环境。它在沉浸虚拟现实系统的基础上，将位于不同物理位置的多个用户或多个虚 拟环境通过网络相连接，并共享信息，从而使用户的协同工作

5、 达到一个更高的境界。12.1.5虚拟现实技术的发展 1965年 sutherland终极的显示 80年代 1984年美国宇航局（nasa）及美国国防部组织nasa arnes研究中心虚拟行星探测实验室 1970年 hmd （头盔显示器）系统。虚拟环境视觉显示器 进入20世纪90年代 计算机硬件技术与软件系统的迅速发展 此后广泛运用12.1虚拟现实技术概述12.1.6虚拟现实技术的应用建筑领域耳聋巴士宫不艺术12.1虚拟现实技术概述 v教育和培训12.1虚拟现实技术概述工程娱乐-用电子手段进行游戏与娱乐12.1虚拟现实技术概述 v军事12.2实现vr系统的三维交互 飞 设备12.2.1 vr三

6、维跟踪传感设备 fastrak运动星艮踪系统12.2.2 vr的立体显示设备头盔显示器(head mounted display, hmd)12.2实现vr系统的三维交互设备双眼局部重叠的头盔显示器光学模型双目全方位显示器（boom）12.2实现vr系统的三维交互 关设备立体眼镜-立体眼镜的工作原理是：由计算机分别产生左、右眼的两幅图像，经过合成处理后，采用分时交替的方法显示于crt终端上。12.2实现vr系统的三维交互 飞12.2.3手数字化设备数据手套(data glove)设备、 spaceexplorer （探索者）12.2.4其他交互设备数据衣(data suit)12.2实现vr系

7、统的三维交互设备三维扫描仪回防12.3实现vr系统的相关技术 关与软件、12.3.1 vr相关技术- 动态环境建模- 实时三维图形生成技术- 立体显示和传感器技术- 应用系统开发工具- 系统集成技术12.3.2 vr软件工具集 world tool kit minimal reality toolkit (mr) cul+3d匕 flcrfiojn* mu cbtw.cult3d 界面周.ihw 皿stititan 一 3b urrrrcw 曲meeit mct tbtfc匕已打60回event icrnnmul林 leeg 二 g buwivu!. biijcnvowctittrnlncyi

8、发“4行,7.bi/lcfirteapjf4looriv vir+ools一三|-三h二j =二.一三一三三. ，elan *-j二三三一超通4qq播以上的行总模组12.3实现vr系统的相关技术与软件困myk.ynptejumfrx & vnfl(* g oman ；tfin r，w tiwi e thb*，口国x -u 6 q & n 9由。bl z* ar dcdtb e4d xy3.te3tdefine u3rtai日二 o nwapj3r texuefm7mwwwaiilrfcmduaurnai)*w；xuww5占2asorolndl&nm匝*ma4!huh2u*ftea4 fikiu

9、l vr-pla+form (vrp)12.4虚拟现实建模语言一一vrml第一代web是以html为核心的二维浏览技术。第二代web是以vrml为核心的三维浏览技术。第二代web把vrml与html、java、媒体信息流等技术有机地结合起来，形成一种新的三维超媒体web o12.4.1 什么是 vrml vrml (virtual reality modeling language,虚拟现实建模语言)被称为继html之后的第二代web语言，它本身是一种建模语言，也就是说，它是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界(virtual world),可以集成文本、图像、音响、mpeg影像等多种

10、媒体类型，还可以内嵌用java、ecmascript等语言编写的程序代码。 vrml的基本目标是建立因特网上的交互式三维多媒体,基本特征包括分布式、三维、交互性、多媒体集成、境界逼真性等。12.4.2 vrml的历史12.4.3 vrml的编辑器与浏览器 vrml编辑器-vrml编辑器（制作工具）主要分为两大类:一类是用于编辑源程序代码的文本编辑器 另一类则是侧重于“所见即所得”的制作软件。el恒|groipb 511 children白 q transform moon:3-sill chldren ,0 shope倒 appscrance 由 appearaice geometry?- o

11、 sphere tmosonsor dock t me5en$or clock2 crientationlrterpolalror o poskicnlntcrpolator move transform eath文件列表日def or oricntationlntcrpolatcr:ln2 coi6 |6.99kb语法 瓯阿至耐欧零压缩 倭天丽 /12.4虚拟现实建模语言一一vrmlvrmipad 界面文件(日编辑(i)视团调试8工具(i)帮助:他自口津/电用zh,“r” vmmpad中文版未注地版!?( & 叵-ini xi回目回 耨| d * % |卓享f el色”|热影帝回 国 1 路

12、径图准备、区mzn亚1/ jjjfv5ml 72.0 utf2 group childrendef moon transform childrent shape appsaxanc appcsxanco notex ial motexial diffusecolor 0.2 08 0.2 shininess 0.8) texture imacetexture ur1 images/noon jpg geometry sphere radius 0.12)，def clock 7imeensor( cyclelntcrvo.1 70.0 loop true匕def c1 ockz 11 ites

13、ensor cvclelnterval 50 c loop true，12.4虚拟现实建模语言一一vrml vrml浏览器-浏览vrml虚拟空间，还必须像flash一样安装一个插件，使工e、ne十scape或firefox之类的浏览器可以解 析wrl的文件格式，在虚拟空间中创建3d造型，并提 供实时渲染的自动显示。-俄国的parallelgraphics公司开发的cortona vrml client；-德国的bitmanagemen十公司开发的bs contact vrmlocortona vrml client界面12.4.4设计vrml的虚拟世界 vrml 2.0是一种基于节点的建模语言

14、。它拥有丰富的节 点，可以通过这些节点来构造虚拟世界中的各种形体及效 果。利用节点构建静态形体-现在使用vrml2.0来构建一个由圆锥、球体和立方体组成的静态形体组合。在vrmipad中输入如下文字:#vrml v2.0 utf8group children shape geometry box 可以利用shape节点的appearance域（外观域）来改 变盒子的外观。appearance域是一个appearance节 点，其ma十erial域（材质域）定义为一个ma十erial节点:appearance appearance material material 0)12.4虚拟现实建模语言

15、一一飞vrml512.4虚拟现实建模语言一一vrml在浏览器中，红色盒子位于屏幕的中心。若想改变它的位置, 可以通过transform （变换节点）来实现。在vrml中,transform节点除了具有group节点相似的功能外，还可以 对形体进行平移、旋转和缩放。例如，要把上述形体向右平 移3个单位，可以将transform节点的translation域（平 移域）设置为300。更改后的代码如下:#vrml v2.0 utf8group children transform translation 3 0 0 children shape appearance appearance mater

16、ialmaterial diffusecolor 10 0) geometry box 用类似的方法添加 其他形体，如球和 圆锥，为了方便以 后的引用，可以使 用def语句分别为 这三个形体命名，进而得到代码如#vrml v2.0 utf8group children def b transform translation 3 0 0children shape appearance appearance materialmaterial diffusecolor 10 0geometry box def s transform translation 0 0 0children shape

17、appearance appearance materialmaterial diffusecolor 010geometry sphere def c transform translation -3 0 0children shape appearance appearance materialmaterial diffusecolor 0 01 geometry cone 12.4虚拟现实建模语言一一十vrml让形体具有交互的能力检测器（sensor）节点:f面的代码中，就为group节点定在所有的sensor （检测器）节点中，touchsensor （接先 检测器）节点最为常用。义了

18、 t ouchsensor 节 点。#vrml v2.0 utf8group children transform translation 3 0 0 children shape appearance appearance material material diffusecolor 100 geometry box -p def touchsensor touchsensor 观察点(viewpoint)节点：在下面的代码中，便为场景定义了两个viewpoint节点，分 别为 “viewl”和 view2”：#vrml v2.0 utf8def viewl viewpoint positi

19、on 0 0 10description nviewln def view2 viewpoint position 4 2 10description nview2n group children transform translation 3 0 0 children shape appearance appearance material material diffusecolor 10 0 geometry box def touchsensor touchsensor -事件路由传递机制：事件出口和事件入口通过route （路由）语句来联系，从 而构成整个事件体系。route语句是vr

20、ml文件中除节点 以外的另一基本组成部分。例如，要把接触检测器 touchsensor的事件出口 isactive连接到观察点节点view2 的事件入口set_bind,可以编写route语句如下： rotue touchsensor.isactive to view2.set bind12.4虚拟现实建模语言一一vrml-使用脚本节点定义行为:我们将前面的路由进行修改，在接触检测器touchsensor和观察点节点view2之间插入一个脚本节点touchscript来定义指定的行为，代码如下:route touchsensonisactive to touchscripttouchsenso

21、risactiveroute touchscript.bindview2 to view2.set_bind脚本节点touchscript的代码如下:def touchscript script eventin sfbool touchsensorlsactive eventout sfbool bindviewl url javascript: function touchsensorlsactive () bindview2= true; h 场景中动画的 实现-使用接触检 测器，结合 脚本节点实 现动画#vrml v2-0 utf8def box transform rotation 2

22、 2 2 0children shape appearance appearance material material diffusecolor 10 0geometry box def touchs touchsensor def r script eventin sfbool startrevolvingeventout sfrotation revolvefield sffioat angle 0url njavascript:function startrevolving () revolve0=2; revolvel=2; revolve2=2; revolve3=angle;an

23、gle+=0.1; n route touchs.isover to r.startrevolvingroute nrevolve to box.set rotation12.4虚拟现实建模语言一一vrml-使用时间检测器，结合脚本节点实现动画为了让盒子能够连续地旋转，需要在固定的时间间隔下不断地修改盒 子的旋转角，这便需要timesansor节点（时间检测器）的帮助。imesensor节点能够随着时间推移不断产生事件，用于如驱动连续性 的仿真和动画；控制周期性的活动；初始化单独事件等目的。使用时 间检测器修改路由如下：def t timesensor cyclelnterval 0.2loop trueenabled false route touchs.isover to t.set_enabledroute t.cycletime to r.startrevolvingroute r.revolve to box.set_rotationvrml5-使用插补器，结合时间检测器实现动画插补器节点共有六个：coordinatelnterpolator （坐标插补器）、 colorinterpolator （颜色插补器）、positioninterpolator （位 置插补器）、normallnterpolator （法线插补器）、 scalarinterpolat